Wetenschap
Technische proeven om de (kosmologische) spanning te verlichten
Dankzij de duizelingwekkende groei van kosmische waarnemingen en meetinstrumenten en enkele nieuwe ontwikkelingen (vooral de ‘ontdekking’ van wat wij donkere materie en donkere energie noemen), alles tegen de achtergrond van de algemene relativiteitstheorie, waren de vroege jaren 2000 een tijd waarin niets daartoe in staat leek. het uitdagen van de vooruitgang van onze kennis over de kosmos, zijn oorsprong en zijn toekomstige evolutie.
Hoewel we ons ervan bewust waren dat er nog veel te ontdekken viel, gaf de schijnbare overeenstemming tussen onze waarnemingen, berekeningen en theoretisch raamwerk aan dat onze kennis van het universum aanzienlijk en zonder onderbrekingen zou groeien.
Dankzij steeds geavanceerdere observaties en berekeningen bleek de opkomst van een ogenschijnlijk kleine ‘fout’ in ons begrip van het universum echter in staat schijnbaar perfect geoliede tandwielen te laten blokkeren. In eerste instantie werd gedacht dat dit opgelost kon worden met nog nauwkeurigere berekeningen en metingen, maar dat bleek niet het geval.
De "kosmologische spanning" (of Hubble-spanning) is een discrepantie tussen de twee manieren waarop we de zogenaamde Hubble-parameter berekenen, H0 , dat de uitdijing van het heelal beschrijft.
De Hubble-parameter kan op twee manieren worden berekend:
- De astrofysische waarnemingen van hemellichamen gedefinieerd als lokaal, dat wil zeggen niet ver van ons:het is mogelijk om de snelheid te berekenen waarmee lichamen op verschillende afstanden zich verwijderen. De uitbreiding en H0 in dit geval wordt berekend door snelheden en afstanden te vergelijken.
- De berekeningen zijn gebaseerd op gegevens van de kosmische microgolfachtergrond CMB, een zwakke en extreem verre straling die teruggaat tot het zeer vroege heelal. Met de informatie die we op die afstand verzamelen, kunnen we de uitdijingssnelheid van het heelal en de Hubble-parameter berekenen.
Deze twee bronnen leverden niet precies gelijke, maar zeer vergelijkbare en consistente waarden van H0 op , en destijds leek het erop dat de twee methoden een goede overeenkomst vertoonden. Bingo.
Het was rond 2013 toen we ons realiseerden dat de "cijfers niet klopten." "De discrepantie die naar voren kwam lijkt misschien klein, maar gezien het feit dat de foutbalken aan beide kanten veel kleiner worden, wordt deze scheiding tussen de twee metingen groot", legt Khalife uit.
De eerste twee waarden van H0 waren in feite niet al te nauwkeurig, en aangezien de "foutbalken" groot genoeg waren om elkaar te overlappen, bestond er hoop dat toekomstige fijnere metingen uiteindelijk zouden samenvallen. "Toen kwam het Planck-experiment, dat heel kleine foutbalken opleverde vergeleken met de vorige experimenten", maar de discrepantie nog steeds handhaafde, waardoor de hoop op een gemakkelijke oplossing de pan uit rijdde.
Planck was een satelliet die in 2007 in de ruimte werd gelanceerd om een beeld van de CMB te verzamelen dat zo gedetailleerd als nooit tevoren was. De resultaten die een paar jaar later werden vrijgegeven, bevestigden dat de discrepantie reëel was en dat wat een gematigde zorg was, uitmondde in een aanzienlijke crisis. Kortom:de meest recente en nabije delen van het universum die we waarnemen vertellen een ander verhaal, of lijken liever een andere natuurkunde te gehoorzamen dan de oudste en meest afgelegen delen, een zeer onwaarschijnlijke mogelijkheid.
Als het geen probleem van metingen is, zou het een fout in de theorie kunnen zijn, dachten velen. Het huidige geaccepteerde theoretische model heet ΛCDM. ΛCDM is grotendeels gebaseerd op de algemene relativiteitstheorie – de meest bijzondere, elegante en herhaaldelijk door waarnemingen bevestigde theorie over het universum die Albert Einstein meer dan een eeuw geleden formuleerde – en houdt rekening met donkere materie (geïnterpreteerd als koud en langzaam bewegend) en donkere energie. als kosmologische constante.
De afgelopen jaren zijn er verschillende alternatieve modellen of uitbreidingen van het ΛCDM-model voorgesteld, maar tot nu toe is geen enkele ervan overtuigend (of soms zelfs triviaal testbaar) gebleken in het significant verminderen van de ‘spanning’.
"Het is belangrijk om deze verschillende modellen te testen, te zien wat werkt en wat kan worden uitgesloten, zodat we het pad kunnen verkleinen of nieuwe richtingen kunnen vinden", legt Khalife uit. In hun nieuwe artikel hebben hij en zijn collega's op basis van eerder onderzoek elf van deze modellen op een rij gezet, waarmee ze enige orde hebben aangebracht in de theoretische jungle die is ontstaan.
De modellen zijn getest met analytische en statistische methoden op verschillende sets gegevens, zowel uit het nabije als verre universum, inclusief de meest recente resultaten van de SH0 ES (Supernova H0 voor de Equation of State) samenwerking en SPT-3G (de nieuwe verbeterde camera van de South Pole Telescope, die de CMB verzamelt). Het werk werd gepubliceerd in het Journal of Cosmology and Astrodeeltjesfysica .
Drie van de geselecteerde modellen waarvan in eerdere onderzoeken werd aangetoond dat ze haalbare oplossingen waren, werden uiteindelijk uitgesloten door de nieuwe gegevens die in dit onderzoek worden meegenomen. Aan de andere kant lijken de andere drie modellen nog steeds in staat de spanning te verminderen, maar dit lost het probleem niet op.
"We ontdekten dat deze de spanning op een statistisch significante manier zouden kunnen verminderen, maar alleen omdat ze zeer grote foutbalken hebben en de voorspellingen die ze doen te onzeker zijn voor de normen van kosmologisch onderzoek", zegt Khalife.
"Er is een verschil tussen oplossen en verminderen:deze modellen verminderen de spanning vanuit statistisch oogpunt, maar ze lossen deze niet op", wat betekent dat geen van hen een grote waarde van H0
voorspelt. sub> alleen op basis van CMB-gegevens. Meer in het algemeen bleek geen van de geteste modellen superieur aan de andere die in dit werk werden bestudeerd wat betreft het verminderen van de spanning."Uit onze test weten we nu naar welke modellen we niet moeten kijken om de spanning op te lossen", besluit Khalife, "en we kennen ook de modellen waar we in de toekomst mogelijk naar gaan kijken."
Dit werk zou een basis kunnen vormen voor de modellen die in de toekomst zullen worden ontwikkeld, en door ze te beperken met steeds nauwkeurigere gegevens, zouden we dichter bij de ontwikkeling van een nieuw model voor ons universum kunnen komen.